浅析地下水数值模拟的研究与应用

浅析地下水数值模拟的研究与应用
李鹭
【摘要】地下水对于人类社会的进步和发展具有重要意义,地下水数值模拟现已成为研究地下水各种问题的重要手段.文章分析了地下水数值模拟的发展历程,总结了地下水数值模拟的步骤以及常用的方法;简要介绍了当今常用的地下水数值模拟软件,并着重分析了Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW这3款软件;介绍了常用的地下水数值模型,分析了地下水水流数值模拟及地下水污染物运移数值模拟的研究应用进展情况;最后对地下水数值模拟的发展中应注意的问题提出了相关建议.【期刊名称】《江西化工》
【年(卷),期】2018(000)001
【总页数】4页(P133-136)
【关键词】地下水;数值模拟;研究应用
【作者】李鹭
【作者单位】东华理工大学水资源与环境工程学院,江西南昌330013
【正文语种】中文
引言
水资源是人类生存和发展必不可少的资源，其对促进社会进步和经济发展具有重要意义。

地下水是水资源的重要组成部分，是中国城市生活和工农业用水的重要供水水源[1]。

当今世界所面临的人口、资源、环境三大问题都直接或间接地与地下水
有关。

但是，局部地区因地下水的不合理开采，也导致产生了含水层疏干、降水漏斗扩大、地下水污染、海水入侵、地面沉降等环境地质问题。

随着电子计算机和数值方法的发展，数值模拟逐渐取代传统的模拟技术，成为研究地下水运动规律和定量评价地下水资源的主要手段，而且其发展趋势已远远超出作为一种计算手段的原有范畴，成为模拟一些水文地质过程发生、发展的重要手段[2]。

利用数值模拟软件对地下水流及地下水污染物等问题进行模拟，以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可缺少的重要方法[3]。

1 地下水数值模拟
地下水的数值模拟是随着地下水资源的定量评价深入研究而发展起来的。

应用数值模型模拟地下水流特征和溶质运移情况逐渐成为此研究领域的一种重要方法，并受到业内人士重视并加以广泛应用[4]。

地下水数值模拟的发展大概经历了三个阶段[5]：即1935年至1950年以解析法为主的第一时期；1950年至1960年，以基于达西定律与电学欧姆定律间相似性所
研发产生的电网络模拟为主的第二时期；1965年至今，以数值模拟为代表的第三时期。

我国的地下水数值模拟的应用与研究始于1973年。

随着计算机技术的迅猛发展，地下水数值模拟已应用到与地下水有关的各个领域和部门，地下水数值模拟已经成为地下水勘察中重要的手段[6]。

经过多年数学工作者和水文地质工作者以及科研
院所的共同努力，现已接近或达到国际水平。

1.1 地下水数值模拟的步骤
地下水数值模型一般由两个部分组成：①包括若干个描述研究区域地下水及地下水溶质运移动态规律的数学微分方程；②刻画研究区域定解条件、初始条件和边界条件的数学表达式。

模型能够刻画出实际系统的数量关系和空间形式，因此在很大程度上具有再现系统的功能，这也是数值模拟的由来。

地下水数值模拟的一般过程如下：
(1)背景资料的获取
数值模拟的第一个环节是获取必要的地质和水文地质勘探资料。

这些资料一般包括研究区域的范围和边界条件、含水层的空间展布特征、观测孔的位置与观测资料、抽水井(或注水井)的位置及流量、含水层的水文地质参数(包括渗透系数、导水系数、贮水系数和弥散系数等)和分区等。

(2)模型的概化
这一阶段的主要任务是对地下水系统作适当的简化。

忽略那些与研究问题无关的或者关系很小的因素，根据获取的背景资料，分析含水层的边界条件、补给排泄关系、地下水水动力系统特征和溶质运移特征及其相应参数的空间分布特征等，从而确定数值模型的类型，建立相应的数学微分方程。

(3)模型的识别
在大多数情况下，数值模型、水文地质参数以及一些边界条件不一定符合实际情况，需要用勘探资料和抽水资料等来确定，这个过程就是模型识别亦称反演问题，是数值模型建立中的一个重要阶段。

(4)模型的应用
模型经过识别后，就可以用于地下水开采的动态预测、地下水溶质运移及其污染状况的预测、地下水开采方案和评价方案的设计等方面。

具体的，在实际操作中，地下水数值模拟要建立一个正确且有意义的地下水流数值模型，应进行以下12个方面的工作：确定模型目标、水文地质概念模型的建立、数学模型的建立、模型设计及模型求解、模型校正、校正灵敏度分析、模型验证、预报、预报灵敏度分析、模型设计与模型结果的给出、模型后续检查以及模型的再设计。

1.2 地下水数值模拟常用的方法
地下水数学模型是根据地下水动力学原理，由一个泛定方程加定解条件组成。

描述地下水运动规律的三维偏微分方程的建立，遵循两条基本原理，即质量守恒与能量守恒及其转换定律。

具体地讲，就是水均衡原理和达西定律，它是地下水模型建立的地质背景条件，地下水模型按照对数学模型的不同求解方法，分为解析解和数值解。

常用的数值模拟方法主要有：有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、边界元法(BEM)和有限分析法(FAM)，不同的模拟方法有其各自的特点[7]。

有限差分法的基本思想是用差商控制方程中的微商，然后结合初始条件及边界条件求解封闭的线性代数方程组。

有限单元法的基本思想是采用插值近似是控制方程通过积分形式在不同意义下得到近似满足，把研究区域转化为有限数目的单元二列出计算格式。

边界元法是通过格林公式和定解问题的格林函数化微分方程为边界几分方程，使用离散化技术离散边界，当求出边界上的水位之后，对计算区内的水位可依靠边界上的水位用简单公式求出。

有限分析法的基本思想是将控制方程的局部解析解组成整体数值解，这样得到的解可以较好的保持原有问题的物理特性，既能准确地模拟对流效应，又能消除有限元方法中造成的数值振荡现象。

2 常用的模拟软件
地下水数值模拟技术现已被国内外广泛地应用于国土资源开发、水利规划与评价等专业方向研究中，伴随着地下水科学和计算机科学的发展，相应的数值模拟软件也得到了快速发展和推广[8]。

功能多样的地下水数值模拟软件凭借其具有模块化、可视化、交互性、智能化等特点，大大简化了建模过程，并不断发展和完善，从而得到广泛应用。

这些软件平台包括Visual MODFLOW、FEFLOW、GMS、Visual Groundwater、Processing MODFLOW、Hydro Geo Analyst、Ground water Vistas、Arc WFD等，其中国内最常用的是Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW等[9]，现将分别介绍这几
款常用软件的功能、特点。

(1)Visual MODFLOW
Visual MODFLOW由加拿大 Waterloo水文地质公司开发，其在MODFLOW模型基础上，综合已有的MODPATH、MT3D、RT3D和Win PEST等地下水模型[10]，应用现代可视化技术开发研制的地下水水流模型；可以模拟二维、三维饱和流状态下的水流和污染物运移。

(2)GMS
GMS由美国Brigham Yung Unversity的环境模型研究实验室和美国军工部排水工程实验站开发。

GMS的综合性的图形软件界面综合MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER等地下水模型而开发的可视化三维地下水模拟软件包；具有建立三维立体地质结构的功能；可进行三维真实含水层的模拟；具有三维立体动态表达的功能。

(3)FEFLOW
FEFLOW由德国Wasy水资源规划系统研究所开发。

FEFLOW的功能如下：进行
复杂二维和三维稳定、非稳定流和污染物运移模拟，颗粒跟踪和流线模拟[11]；带有非线性吸附作用、衰变、对流、弥散的化学物质运移的模拟；考虑贮存、对流、热散失、热运移的流体和固体热量运移并可对污染物和温度场同时进行模拟；多层自由表面含水系、密度变化的流动以及非饱和流场及其溶质运移的模拟。

FEFLOW具有地理信息系统数据接口；三维可视化；方便用户建立模型，进行复
杂三维地质体的地下水流及溶质运移分析，可以通过存取的结果对三维水文地质模型进行后期分析[12]；具有能自动产生空间多种有限单元网格、空间参数区域化；计算上具有更高的精度；功能齐全。

3 地下水数值模拟的研究与应用
国外对地下水数值模拟的研究和应用较早，且理论、技术等各方面相对成熟，目前
已经从“水量问题”的应用研究逐步过渡到“水质问题”的应用研究上，以解决各种更复杂的地下水问题。

国内相关研究起步较晚、同国外存在一定的差距。

现如今我国地下水数值模拟的应用己遍及与地下水有关的各个领域。

主要的地下水数值模型有：各类常系数、变系数水流模型、地下水污染模型、海水入侵模型、高浓度咸/卤水入侵模型、地下水中某些组分运移行为的模型、大区域地面沉降模型、地下水中热量运移和含水层贮能模型、地下水资源管理模型和井渠合理布局模型、各类坝体渗漏模型、渠道渗漏模型、地下水—地表水联合评价调度模型等[8]。

运
移和化学反应耦合模型以及其他一些耦合模型也有人着手考虑了。

地下水数值模型涉及的地质条件多种多样，有潜水，也有承压水，有单个含水层，也有多个含水层存在越流的情况，以及种种复杂的地质构造和岩相变化等。

它们有二维的，也有三维的和准三维的。

各类模型，主要是地下水水流数值模拟和地下水污染物运移数值模拟，现略做总结。

3.1 地下水水流数值模拟
随着电子计算机和数值方法的发展，数值模拟逐渐取代传统的模拟技术戚为研究地下水运动规律和定量评价地下水资源的主要手段。

运用先进的地下水模拟软件，建立区域地下水流模型，进行区域水资源评价，预测各种变异条件下地下水的动态变化趋势，已成为研究区域地下水一种非常有效的方法[13]。

邵景力等[14]在黄河下游(河南段)采用FEFLOW软件建立了三维地下水流模型，描述了模型中截渗墙的处理，并用模型模拟了截渗墙建成后黄河侧渗量和地下水流场的变化。

魏国孝[15]等采用FEFLOW建立酒泉东盆地区地下水系统水流数值模型，来探究地下水资源补给量、排泄量及总均衡关系，结果表明：建立的模型能够反映研究区实际水文地质条件，仿真度较高，具有一定的代表性。

任印国[16]等利用FEFLOW建立石家庄市东部平原研究区域地下水流模型，预测不同开采方案下的
地下水动态变化，为地下水资源开发利用和优化配置提供科学依据。

孟茜[17]等应
用FEFLOW软件建立了准格尔旗深层地下岩溶裂隙水流数值模型，并评价了该区地下水的允许开采量。

李思达[18]等在分析研究区地质水文地质等资料的基础上，针对任楼井田第四含水层建立了水文地质概念模型，进而建立基于有限元方法的FE FLOW软件的数值模型，选用地面长观孔水位观测值对模型进行识别与检验，拟合效果良好，揭示含水层组立体结构的整体渗流场分布特征。

3.2 地下水污染物运移数值模拟
近年来伴生地下水流过程的溶质运移、水质评估等研究内容在地下水流的模拟研究基础上也逐渐兴起并取得了很大进展[10]。

地下水数值模拟可有效的处理地下水污染问题，定量描述污染物在地下水中的时空分布特征和迁移转化规律，为地下水污染的防治提供科学支持和理论依据。

地下水污染物运移的数值模拟应用可准确的掌握地下水污染扩散规律，从而有效控制地下水污染，有着广泛的应用前景和现实意义[19]。

刘勇[20]以阜新矿区可溶性污染物对地下水的污染为研究对象，利用有限元方法，对可溶性物质在地下水中的运移进行数值模拟，得到地下水压力水头和可溶性污染物在地下水中的迁移变化规律，为可溶性污染物对地下水的污染研究和预测提供重要的分析数据。

尉鹏翔[21]建立北京某污染场区水文地质概化模型，运用国际通用可视化标准软件Visual Modflow 对研究区地下水污染物苯和萘2种污染物分别进行预测，结果表明：污染物在地下水迁移过程中，由于弥散和对流的共同作用，模拟结果可以为该污染场区地下水环境评价和治理提供科学依据。

王军霞[22]等采用二维有限元数值程序MARUN，对美国某油气开采井泄露事故中污染物在地下运移和扩散的过程进行数值模拟，结果表明：污染物会对当地和区域的生态环境系统造成污染。

栾旭[23]等以存在石油烃污染的北京市某加油站场地为研究对象，设计了土壤气抽提(SVE)原位修复系统，应用AIR3D软件对SVE作用下土壤包气带的气压场进行数值模拟，来研究土壤包气带具有挥发性石油烃的治理。

4 总结与建议
本文对地下水数值模拟的模型和常用的几款软件平台进行简单介绍，并对其应用进展情况进行分析阐述，由此提出如下建议：
(1)虽然国际国内有关的地下水模拟软件很多，但是每个软件都无法解决所有问题，需要根据实际情况及目标需要，选择合适的软件。

(2)对现有地下水模型还应注意与多学科交叉耦合，拓展应用领域，提高精度。

(3)现有模型远不能满足各地生产实际的需要，应从各地实际情况出发，研究符合
常见的不同情况的各类模型，以便为预测和调控提供技术支撑。

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